จุดเลือก MOSFET

ทางเลือกของมอสเฟตเป็นสิ่งสำคัญมาก ตัวเลือกที่ไม่ดีอาจส่งผลต่อการใช้พลังงานของวงจรทั้งหมด การควบคุมความแตกต่างของส่วนประกอบ MOSFET ที่แตกต่างกันและพารามิเตอร์ในวงจรสวิตชิ่งที่แตกต่างกันสามารถช่วยวิศวกรเพื่อหลีกเลี่ยงปัญหามากมาย ต่อไปนี้เป็นคำแนะนำบางส่วนจาก Guanhua Weiye สำหรับการเลือก MOSFET

 

อย่างแรกคือ P-channel และ N-channel

ขั้นตอนแรกคือการพิจารณาการใช้ N-channel หรือ P-channel MOSFET ในการใช้งานด้านพลังงาน เมื่อต่อกราวด์ MOSFET และโหลดเชื่อมต่อกับแรงดันไฟฟ้าลำตัวมอสเฟตประกอบด้วยสวิตช์ด้านข้างแรงดันต่ำ ในการสลับด้านแรงดันไฟฟ้าต่ำ โดยทั่วไปจะใช้ MOSFET แบบ N-channel ซึ่งเป็นการพิจารณาแรงดันไฟฟ้าที่ต้องใช้ในการปิดหรือเปิดอุปกรณ์ เมื่อ MOSFET เชื่อมต่อกับบัสและกราวด์โหลด จะใช้สวิตช์ด้านข้างไฟฟ้าแรงสูง โดยปกติจะใช้ P-channel MOSFET เนื่องจากการพิจารณาแรงดันไฟฟ้า ในการเลือกส่วนประกอบที่เหมาะสมสำหรับการใช้งาน สิ่งสำคัญคือต้องกำหนดแรงดันไฟฟ้าที่จำเป็นในการขับเคลื่อนอุปกรณ์ และความง่ายในการใช้งานในการออกแบบ ขั้นตอนต่อไปคือการกำหนดพิกัดแรงดันไฟฟ้าที่ต้องการ หรือแรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่ส่วนประกอบสามารถรับได้ ยิ่งระดับแรงดันไฟฟ้าสูงเท่าใด ราคาของอุปกรณ์ก็จะสูงขึ้นตามไปด้วย ในทางปฏิบัติ ระดับแรงดันไฟฟ้าควรมากกว่าแรงดันไฟหลักหรือบัส ซึ่งจะให้การป้องกันที่เพียงพอเพื่อให้ MOSFET จะไม่ล้มเหลว สำหรับการเลือก MOSFET สิ่งสำคัญคือต้องกำหนดแรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่สามารถทนได้จากเดรนไปยังแหล่งกำเนิด เช่น VDS สูงสุด ดังนั้นจึงเป็นสิ่งสำคัญที่ต้องรู้ว่าแรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่ MOSFET สามารถทนได้จะแตกต่างกันไปตามอุณหภูมิ นักออกแบบจำเป็นต้องทดสอบช่วงแรงดันไฟฟ้าตลอดช่วงอุณหภูมิการทำงานทั้งหมด แรงดันไฟฟ้าที่กำหนดต้องมีระยะขอบเพียงพอที่จะครอบคลุมช่วงนี้เพื่อให้แน่ใจว่าวงจรจะไม่เกิดข้อผิดพลาด นอกจากนี้ ปัจจัยด้านความปลอดภัยอื่นๆ จำเป็นต้องได้รับการพิจารณาถึงแรงดันไฟฟ้าชั่วครู่ที่เหนี่ยวนำด้วย

 

ประการที่สอง กำหนดระดับปัจจุบัน

อัตรากระแสไฟของ MOSFET ขึ้นอยู่กับโครงสร้างของวงจร พิกัดกระแสคือกระแสสูงสุดที่โหลดสามารถทนได้ในทุกสถานการณ์ เช่นเดียวกับกรณีแรงดันไฟฟ้า ผู้ออกแบบจำเป็นต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่า MOSFET ที่เลือกนั้นสามารถรับกระแสไฟฟ้าที่ได้รับการจัดอันดับนี้ได้ แม้ว่าระบบจะสร้างกระแสไฟกระชากก็ตาม สถานการณ์ปัจจุบันสองสถานการณ์ที่ต้องพิจารณาคือโหมดต่อเนื่องและพัลส์ที่พุ่งสูงขึ้น MOSFET อยู่ในสถานะคงที่ในโหมดการนำต่อเนื่องเมื่อกระแสไหลผ่านอุปกรณ์อย่างต่อเนื่อง พัลส์เดือยหมายถึงไฟกระชากจำนวนมาก (หรือกระแสไฟพุ่งขึ้นอย่างรวดเร็ว) ที่ไหลผ่านอุปกรณ์ ในกรณีนี้ เมื่อพิจารณากระแสสูงสุดแล้ว ก็เป็นเพียงเรื่องของการเลือกอุปกรณ์ที่สามารถทนต่อกระแสสูงสุดนี้ได้โดยตรง

 

หลังจากเลือกกระแสไฟที่กำหนดแล้ว จะคำนวณการสูญเสียการนำไฟฟ้าด้วย ในบางกรณีมอสเฟตไม่ใช่ส่วนประกอบในอุดมคติเนื่องจากการสูญเสียทางไฟฟ้าที่เกิดขึ้นในระหว่างกระบวนการนำไฟฟ้า ซึ่งเรียกว่าการสูญเสียการนำไฟฟ้า เมื่อ "เปิด" MOSFET จะทำหน้าที่เป็นตัวต้านทานแบบแปรผัน ซึ่งถูกกำหนดโดย RDS(ON) ของอุปกรณ์ และเปลี่ยนแปลงอย่างมากตามอุณหภูมิ การสูญเสียพลังงานของอุปกรณ์สามารถคำนวณได้จาก Iload2 x RDS(ON) และเนื่องจากความต้านทานออนแปรผันตามอุณหภูมิ การสูญเสียพลังงานจึงแปรผันตามสัดส่วน ยิ่งแรงดันไฟฟ้า VGS ที่ใช้กับ MOSFET สูงเท่าใด RDS(ON) ก็จะยิ่งต่ำลงเท่านั้น ในทางกลับกัน ยิ่ง RDS(ON) สูงเท่าไร สำหรับผู้ออกแบบระบบ นี่คือจุดที่ข้อดีข้อเสียจะเข้ามามีบทบาท โดยขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้าของระบบ สำหรับการออกแบบแบบพกพา แรงดันไฟฟ้าที่ต่ำกว่าจะง่ายกว่า (และพบได้บ่อยกว่า) ในขณะที่การออกแบบทางอุตสาหกรรม สามารถใช้แรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่าได้ โปรดทราบว่าความต้านทาน RDS(ON) จะเพิ่มขึ้นเล็กน้อยตามกระแส

 

 

เทคโนโลยีมีผลกระทบอย่างมากต่อคุณลักษณะของส่วนประกอบ และเทคโนโลยีบางอย่างมีแนวโน้มที่จะส่งผลให้ RDS(ON) เพิ่มขึ้นเมื่อเพิ่ม VDS สูงสุด สำหรับเทคโนโลยีดังกล่าว จำเป็นต้องเพิ่มขนาดเวเฟอร์หากต้องลด VDS และ RDS(ON) ซึ่งเป็นการเพิ่มขนาดบรรจุภัณฑ์ที่ใช้ร่วมกับมันและต้นทุนการพัฒนาที่สอดคล้องกัน มีเทคโนโลยีจำนวนหนึ่งในอุตสาหกรรมที่พยายามควบคุมการเพิ่มขนาดเวเฟอร์ ซึ่งเทคโนโลยีที่สำคัญที่สุดคือเทคโนโลยีร่องลึกและความสมดุลของประจุ ในเทคโนโลยีร่องลึกลึกนั้น ร่องลึกลึกจะถูกฝังอยู่ในเวเฟอร์ ซึ่งโดยปกติจะสงวนไว้สำหรับแรงดันไฟฟ้าต่ำ เพื่อลด RDS(ON) ความต้านทานออน

 

ที่สาม กำหนดข้อกำหนดการกระจายความร้อน

ขั้นตอนต่อไปคือการคำนวณข้อกำหนดด้านความร้อนของระบบ จำเป็นต้องพิจารณาสถานการณ์ที่แตกต่างกันสองสถานการณ์ กรณีที่เลวร้ายที่สุดและกรณีจริง TPV แนะนำให้คำนวณผลลัพธ์สำหรับสถานการณ์กรณีที่เลวร้ายที่สุด เนื่องจากการคำนวณนี้ให้ขอบเขตความปลอดภัยที่มากกว่า และทำให้มั่นใจว่าระบบจะไม่ล้มเหลว

 

IV. ประสิทธิภาพการสลับ

ในที่สุดประสิทธิภาพการสลับของ MOSFET มีพารามิเตอร์มากมายที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพการสลับ พารามิเตอร์ที่สำคัญ ได้แก่ เกท/เดรน เกท/แหล่งที่มา และความจุของเดรน/ซอร์ส ความจุเหล่านี้ก่อให้เกิดการสูญเสียการสวิตชิ่งในส่วนประกอบ เนื่องจากจำเป็นต้องชาร์จทุกครั้งที่มีสวิตซ์ เป็นผลให้ความเร็วในการเปลี่ยนของ MOSFET ลดลงและประสิทธิภาพของอุปกรณ์ลดลง ในการคำนวณการสูญเสียทั้งหมดในอุปกรณ์ระหว่างการเปลี่ยน ผู้ออกแบบจำเป็นต้องคำนวณการสูญเสียระหว่างการเปิดเครื่อง (Eon) และความสูญเสียระหว่างการปิดเครื่อง (Eoff) สามารถแสดงได้ด้วยสมการต่อไปนี้: Psw = (Eon + Eoff) x ความถี่สวิตชิ่ง และค่าเกต (Qgd) มีผลกระทบต่อประสิทธิภาพการสลับมากที่สุด